GIS設(shè)備在高海拔環(huán)境應(yīng)用的適應(yīng)性研究

呂尋浩，秦曉宇，蘇戈，李景華，張克選，高延峰，陳東

(1.平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276000)

1 引言

近年來(lái)，國(guó)家大力改善西藏地區(qū)生活環(huán)境，提高區(qū)域生活條件，部署西部地區(qū)清潔能源開發(fā)外送，促進(jìn)西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。電力供應(yīng)是該地區(qū)發(fā)展的開路先鋒。我國(guó)西部甘肅、青海、西藏等地區(qū)大都處于1700m以上的海拔高度，隨著海拔高度的增加，氣候環(huán)境也將發(fā)生變化，由表1[1]可知，不同海拔對(duì)電工產(chǎn)品的氣候環(huán)境影響較大。

如表1所示，高海拔地區(qū)環(huán)境參數(shù)變化較大，對(duì)于GIS產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，氣壓低(空氣密度小)，環(huán)境溫度低、太陽(yáng)直射強(qiáng)度強(qiáng)等因素會(huì)對(duì)GIS設(shè)備產(chǎn)生不利影響?？諝饷芏刃『吞?yáng)直射強(qiáng)度強(qiáng)將對(duì)GIS設(shè)備的絕緣性能、通流能力以及防護(hù)層老化產(chǎn)生較大影響。GIS設(shè)備具備結(jié)構(gòu)封閉的特點(diǎn)，內(nèi)部氣體壓力與外部環(huán)境無(wú)關(guān)，設(shè)備主絕緣不受外部環(huán)境的影響，但是GIS出線用套管外部絕緣隨著空氣密度減小而降低，所以對(duì)套管外絕緣強(qiáng)度的研究將是解決GIS在高海拔地區(qū)絕緣問(wèn)題的主要方向[2-4]。對(duì)二次元件來(lái)說(shuō)，隨著海拔的增高，空氣密度的降低，二次元件的絕緣及開斷性能也將降低，對(duì)其絕緣性能及開斷性能的隨海拔變化研究也是GIS在高海拔地區(qū)可靠運(yùn)行的保證。高海拔引起的空氣密度降低，將減小空氣的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，影響設(shè)備的散熱性能，降低設(shè)備的通流能力[6-7]。但是隨著海拔的提高，環(huán)境溫度也將降低，從而產(chǎn)生補(bǔ)償。為準(zhǔn)確判斷設(shè)備的通流能力，需對(duì)其兩者的影響程度進(jìn)行評(píng)估。太陽(yáng)直射強(qiáng)度強(qiáng)將會(huì)加劇有機(jī)涂層的老化，有機(jī)涂層長(zhǎng)期暴露在大氣中將會(huì)出現(xiàn)失光、開裂、剝落等現(xiàn)象，失去對(duì)設(shè)備本體的保護(hù)，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備殼體等暴露在大氣中的零部件產(chǎn)生腐蝕，減短設(shè)備使用周期。開展有機(jī)涂層配方研究，選取合適涂料，滿足設(shè)備使用周期，是應(yīng)對(duì)高強(qiáng)度紫外線環(huán)境中設(shè)備腐蝕的必選課題。

表1 電工產(chǎn)品不同海拔的氣候環(huán)境條件參數(shù)

2 空氣密度降低對(duì)設(shè)備的影響

國(guó)家能源局發(fā)布的DL/T5240-2010《火力發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)程》給出的不同海拔大氣壓計(jì)算方法，見式(1)，將其繪制成曲線圖見圖1。

(1)

圖1 海拔與大氣壓關(guān)系

式中，Pa為當(dāng)?shù)仄骄鶜鈮海琸Pa；H為當(dāng)?shù)睾０胃叨?，m。

從圖1中可明確看出隨著海拔高度的提升，空氣氣體壓力會(huì)大幅降低。由理想氣體氣態(tài)方程可知?dú)怏w壓力與密度成正比關(guān)系。即隨著海拔高度增加空氣密度會(huì)隨之下降?？諝饷芏鹊南陆祵?duì)其絕緣性能和滅弧性能產(chǎn)生影響。同時(shí)空氣密度的降低會(huì)影響其動(dòng)力粘性系數(shù)，降低其對(duì)流效果，從而影響設(shè)備通流性能。

2.1 空氣密度降低對(duì)絕緣性能的影響

隨著空氣密度的降低，空氣絕緣性能也大幅降低，若不考慮濕度影響，空氣密度與其絕緣能力基本成正比關(guān)系，圖2為空氣密度與其絕緣性能的關(guān)系。

圖2 均勻電場(chǎng)中不同間隙距離下空氣的擊穿電壓和pd的關(guān)系

結(jié)合圖1與圖2可知隨著海拔的升高，空氣密度隨之下降，從而降低空氣的絕緣強(qiáng)度。在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)實(shí)際情況給出了不同海拔絕緣強(qiáng)度的修正方法，見式(2)。

Ka1=em(H-1000)/8150

(2)

其中，Ka1是相對(duì)于試驗(yàn)地點(diǎn)海拔1000m及以下的海拔修正系數(shù)，H是海拔高度(m)，m是系數(shù)，對(duì)于雷電沖擊和工頻耐受電壓試驗(yàn)時(shí)m=1，對(duì)于操作沖擊耐受電壓試驗(yàn)時(shí)m=0.75。

2.2 空氣密度降低對(duì)通流性能的影響

隨著海拔的升高，空氣密度降低，使以空氣介質(zhì)為散熱方式的產(chǎn)品散熱困難，所以隨著海拔升高設(shè)備通流時(shí)產(chǎn)生的溫升也隨之增加；但是，隨著海拔的升高環(huán)境溫度降低，一般海拔每升高100m，環(huán)境溫度降低0.5℃。

對(duì)于一次交流系統(tǒng)電器設(shè)備的高海拔溫升補(bǔ)償系數(shù)Kτ可按式(3)進(jìn)行修正[5]：

Kτ=e0.03(H-1000)/1000

(3)

式中，H為海拔高度(m)。

即在高海拔下允許溫升是在一般環(huán)境下的許用溫升值與海拔修正系數(shù)的乘積，見式(4)：

τ=Kτ×τ0

(4)

以1000m海拔溫升極限值為基準(zhǔn)，通過(guò)海拔修正，可以計(jì)算出GIS設(shè)備在不同海拔條件下能夠達(dá)到的溫升值，如表2所示。

表2 溫升限值在不同海拔高度下的修正值

高壓電器在運(yùn)行時(shí)，其溫升控制主要是要求其不超過(guò)設(shè)備能夠承受的最高溫度[6]。表2所示隨著海拔升高所帶來(lái)的溫升升高與隨著海拔升高帶來(lái)的環(huán)境溫度降低基本相當(dāng)，即高海拔環(huán)境中由于海拔上升帶來(lái)的空氣密度減小、設(shè)備溫升增高可有由于海拔增高帶來(lái)的環(huán)境溫度降低值抵消，設(shè)備最高溫度不超設(shè)備能夠承受的最高溫度。總之，海拔升高對(duì)設(shè)備的通流能力影響不大。

2.3 高海拔套管設(shè)計(jì)實(shí)例

從2.1節(jié)及2.2節(jié)可知，GIS在應(yīng)對(duì)高海拔的過(guò)程中主要考慮外絕緣問(wèn)題即可。藏中聯(lián)網(wǎng)芒康、林芝等變電站所處海拔高度已經(jīng)超過(guò)3000m，為解決工程應(yīng)用需求，需要完成能夠在超過(guò)海拔3000m運(yùn)行的套管開發(fā)。根據(jù)實(shí)際工程需求及標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)考慮，確認(rèn)按照3500m海拔高度參數(shù)進(jìn)行套管開發(fā)。原則上在現(xiàn)有套管(1000m海拔以下)基礎(chǔ)上進(jìn)行了高海拔套管設(shè)計(jì)。主要研究?jī)?nèi)容包括干弧距離確定和內(nèi)屏蔽電場(chǎng)改進(jìn)[8-11]。

隨著海拔高度增高空氣密度降低，絕緣能力下降可參考式(2)進(jìn)行海拔修正，相對(duì)于各海拔修正系數(shù)如表3所示。

表3 套管外絕緣修系數(shù)

以550kV套管為例，海拔1000m以下的GIS套管采用地電位單屏蔽結(jié)構(gòu)，主要參數(shù)如表4所示。

表4 1000m海拔以下套管參數(shù)

為確認(rèn)此套管的絕緣能力，組織了2000m海拔的絕緣試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)如表5所示。

表5 試驗(yàn)參數(shù)

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，現(xiàn)有套管可以滿足2000m海拔絕緣需求。

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)在海拔小于1000m地區(qū)進(jìn)行海拔3500m套管試驗(yàn)時(shí)對(duì)外絕緣進(jìn)行海拔系數(shù)修正即可，修正后的試驗(yàn)電壓見表6。

表6 550kV 3500m套管試驗(yàn)修正電壓(≤1000m試驗(yàn))

綜合考慮海拔修正系數(shù)及套管試驗(yàn)情況。分析認(rèn)為3500m時(shí)套管干弧距離≥5.53m即可滿足使用需求。設(shè)計(jì)時(shí)考慮550kV 3500m海拔修正后的試驗(yàn)電壓與750kV絕緣試驗(yàn)電壓基本相當(dāng)，為保證新開發(fā)套管的安全性，最后確定其長(zhǎng)度與其保持一致，即海拔3500m的550kV套管干弧距離為5900mm。

套管屏蔽主要是利用其電容作用，均勻電場(chǎng)，拉高電力線，從而減少電場(chǎng)集中。1000m以下海拔的套管采用單屏蔽結(jié)構(gòu)，其底部電力線分布如圖3所示。

圖3 單屏蔽套管地電位電力線分布

從圖中能夠看出套管上部及下部屏蔽處電力線相對(duì)集中，考慮其下部距離地電位較近，以及空氣絕緣強(qiáng)度降低的因素，對(duì)下部屏蔽進(jìn)行了優(yōu)化。開發(fā)出雙屏蔽結(jié)構(gòu)，加大內(nèi)層屏蔽長(zhǎng)度，拉高套管底部電位。優(yōu)化后電力線分布如圖4所示。

圖4 雙屏蔽套管地電位電力線分布

從圖中能夠看出，地電位雙屏蔽的采用將地電位屏蔽上側(cè)電力線分層，有效的改善了套管下部電力線向上分布情況。改進(jìn)前后的電場(chǎng)情況詳如圖5所示。

圖5 套管各部位電場(chǎng)強(qiáng)度

從圖5能夠看出，相對(duì)于單屏蔽結(jié)構(gòu)，套管下側(cè)，尤其是屏蔽外側(cè)部位電場(chǎng)得到了改善，綜合上述對(duì)策完成了550kV 3500m海拔套管的設(shè)計(jì)，完成后套管整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 套管整體結(jié)構(gòu)

驗(yàn)證套管設(shè)計(jì)的可靠性，后期采用海拔修正的方法組織了套管絕緣試驗(yàn)，順利通過(guò)了海拔3500m的外絕緣試驗(yàn)。試區(qū)大氣條件為：大氣壓力：101.3kPa(海拔1000m以下),大氣修正因素為0.989。海拔修正按照表3的系數(shù)法對(duì)試驗(yàn)電壓進(jìn)行了修正，修正后的試驗(yàn)電壓見表7。

表7 試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)將套管直接放置于落地的工字型鋼上，如圖7所示。

圖7 套管試驗(yàn)姿態(tài)圖

2.4 二次元件的性能驗(yàn)證

在高海拔工程中，考慮空氣氣體絕緣性能的變化，對(duì)低壓二次元件的絕緣性能也需修正，以滿足高海拔使用的需求[12]。

開關(guān)設(shè)備控制回路一般要求能夠承受工頻2kV/1min的耐電壓試驗(yàn)，高海拔元件選擇是也要能夠滿足此要求。在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，一方面二次元件要選擇適當(dāng)型號(hào)，以確?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行安全。同時(shí)在設(shè)備出廠試驗(yàn)時(shí)要根據(jù)試驗(yàn)地與運(yùn)行地海拔高度差修正出廠試驗(yàn)電壓，保證設(shè)備整體的運(yùn)行安全。電壓修正系數(shù)可以參考海拔修正系數(shù)制定。詳細(xì)見表8。

通過(guò)對(duì)套管外絕緣改進(jìn)，二次元件重新選型等措施的實(shí)施，確保了高海拔變電站運(yùn)行的安全。并成功應(yīng)用于藏中聯(lián)網(wǎng)芒康、林芝等項(xiàng)目中，取得了良好的應(yīng)用業(yè)績(jī)。

3 高海拔環(huán)境對(duì)有機(jī)涂層的影響

隨著海拔升高，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度將會(huì)明顯上升，根據(jù)相關(guān)資料，各海拔太陽(yáng)輻射強(qiáng)度見表9。

表9 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度

GIS外部防護(hù)一般采用在其外部涂抹有機(jī)涂層進(jìn)行防護(hù)，通常防護(hù)層采用聚氨酯磁漆，使用壽命設(shè)置為30年。但是隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的提高，有機(jī)涂層受到的紫外線照射增強(qiáng)，其使用壽命將大幅減短，無(wú)法滿足GIS的防護(hù)。若在GIS的使用壽命內(nèi)發(fā)生有機(jī)涂層發(fā)生老化、剝落現(xiàn)象，將降低GIS外殼環(huán)境耐受能力。

低海拔環(huán)境下GIS設(shè)備殼體外表面涂覆的聚氨酯瓷漆是一種含羥基的醇酸樹脂的耐候顏料，其主要組成部分為含羥基的醇酸樹脂、耐候顏料、溶劑、助劑、固化劑等。其特點(diǎn)是在高聚物分子之間能形成非環(huán)或環(huán)狀氫鍵，在外力作用下，氫鍵可分離吸收外來(lái)能量，當(dāng)外力除去后可重新形成氫鍵，如此高的氫鍵斷裂再形成的往復(fù)情況使其具有高的保光性、耐磨性及韌性，能夠有效保護(hù)GIS殼體。但高海拔時(shí)紫外線強(qiáng)烈，即輻射光波波長(zhǎng)大于340nm的光線大幅增加，聚氨酯大量吸收大于340nm的波長(zhǎng)的光波后,其有機(jī)成分中所含的甲撐發(fā)生氧化，形成不穩(wěn)定的氫的過(guò)氧化物，進(jìn)而生成色團(tuán)(酰亞胺結(jié)構(gòu))，導(dǎo)致漆色變黃、開裂。從而影響了產(chǎn)品外觀、降低設(shè)備耐侯性能。

通過(guò)對(duì)各種表面防腐材料對(duì)比，在高海拔地區(qū)選用了氟碳有機(jī)涂層。氟碳涂料是在氟樹脂的基礎(chǔ)上經(jīng)改性、加工而成的一種新型涂層材料，主要成分是氟烯烴-乙烯基醚共聚物(FEVE)，其所含的F-C化學(xué)鍵鍵能大，鍵距短，決定了其異常的穩(wěn)定性能，能夠非常好的抵抗高能級(jí)的紫外線，使其具有超強(qiáng)的穩(wěn)定性，表現(xiàn)出極其優(yōu)異的耐久性、耐紫外線等特點(diǎn)，能夠抵有效防護(hù)GIS設(shè)備。

為驗(yàn)證氟碳填料漆的可靠性，分別對(duì)鋁合金基材和鐵基材涂抹氟碳漆，進(jìn)行紫外線加速老化試驗(yàn)，確認(rèn)漆面狀態(tài)。

加速老化試驗(yàn)樣板見圖8：其規(guī)格為70mm×150mm，厚度2～3mm。底漆為通用環(huán)氧樹脂漆，面漆為氟碳面漆，漆膜厚度≥130μm。

圖8 加速老化試樣

試驗(yàn)采用紫外線加速老化試驗(yàn)按照GB/T23987《色漆和清漆 涂層的人工氣候老化曝露 曝露于紫外線和水》進(jìn)行檢測(cè)，其中紫外線功率0.68W/m2，熒光紫外的溫度為60±3℃，測(cè)試時(shí)間3000h。

漆面老化結(jié)果按照GB/T1766《色漆和清漆涂層老化的評(píng)及方法》進(jìn)行評(píng)定，評(píng)定結(jié)果顯示，各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)良，綜合評(píng)定為0級(jí)(詳見表10)。

表10 老化試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

從表10中可以看出，在強(qiáng)光照射下氟碳漆除顏色發(fā)生失光外，其它性能比較穩(wěn)定，能夠很好的起到防護(hù)作用。

4 結(jié)論

高原地區(qū)相較于低海拔地區(qū)，環(huán)境條件更為苛刻。在GIS設(shè)備應(yīng)用過(guò)程中勢(shì)必受到其環(huán)境的影響。本文通過(guò)對(duì)高原環(huán)境條件的分析，得出其影響GIS設(shè)備應(yīng)用的關(guān)鍵因素為氣壓低、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大。在此基礎(chǔ)上，對(duì)其影響情況及應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行了研討，主要內(nèi)容如下：

(1)通過(guò)對(duì)高原地區(qū)低氣壓情況的分析，確認(rèn)其對(duì)設(shè)備性能的主要影響為外絕緣性能及設(shè)備通流性能。通過(guò)分析認(rèn)為對(duì)于設(shè)備通流能力方面高原環(huán)境氣溫降低能夠抵消空氣密度降低引起的設(shè)備溫度上升。對(duì)于GIS設(shè)備絕緣方面主要是影響設(shè)備外絕緣性能涉及出線套管及二次元件。通過(guò)對(duì)套管電場(chǎng)分析，采用加大干弧距離，調(diào)整屏蔽結(jié)構(gòu)的措施，完成高海拔套管的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)，并成功應(yīng)用于高海拔地區(qū)。針對(duì)二次元件絕緣問(wèn)題，采用適當(dāng)選型，提高試驗(yàn)電壓的措施保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行的安全可靠。

(2)針對(duì)高海拔地區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高的情況，確認(rèn)其主要影響設(shè)備表面涂層防護(hù)性能。本文分析了表面涂料防護(hù)可能帶來(lái)的危害，通過(guò)分析提出采用含有的F-C高能鍵的表面涂料，提高了設(shè)備漆面耐受太陽(yáng)輻射的能力。

本文通過(guò)對(duì)低氣壓、高輻射情況的分析，提出了相對(duì)應(yīng)的解決方法，并成功解決GIS設(shè)備在高海拔環(huán)境下的應(yīng)用問(wèn)題，并取得了一定的使用經(jīng)驗(yàn)，為后期四川、西藏等高原地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)打下基礎(chǔ)。